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一、塑膠殘留應力介紹當一塑膠成品在應用上發生破裂或破壞時，就材料力學的觀點，即表示該塑膠件在破壞區域上，其所承受之應力數值總合超過了材料本身之物性強度數值。因此要解決成品在使用上的破壞或破裂問題，就必須要從如何增加材料物性強度或從如何減少成品應力值來著手。塑膠製品承受的應力作用通常可依應力來源區分為外部應力及內部應力兩種，外部應力是成品在使用時所遭受之外力作用，此部分將視產品應用場合而定，通常是無法控制其程度，一般產品設計者會依照常態之外部應力值，乘上一安全係數值來設計產品之強度。而內部應力通常是成品在加工成型過程中所產生而留存在成品內部。所以要有效解決塑膠成品之破壞問題，唯有降低應力作用或提高材料強度兩種方法。然而對於塑膠成型加工業者而言，如何使用較適當之加工條件，來防止材料強度降低及避免在加工時產生過大殘留內部應力則是最重要之議題。所以就產品設計者或塑膠成型加工者而言，通常需要瞭解塑膠件發生破壞之成因與產生破壞之位置與破壞之型態，才能有效分析解決成型及設計上的問題點。塑膠材料由於具有高黏特性，所以一般在成型加工時都需要利用高溫、高壓、高剪切等加工條件，來有效降低塑膠熔膠黏度至容易成型加工之範圍，另外由於塑膠具低的熱傳導係數，是熱的不良導體，所以在高溫成型後需要長時間方能達到均勻溫度之冷卻。然而現代塑膠射出成型加工，一般為求高效益快速生產，所以對於射出成型週期都盡量縮短，而所對應之射出成型條件就需要要求射速快、冷卻時間短，而對於塑膠成品而言過大之速度差或不均勻冷卻，往往會造成成品內部形成應力。所謂塑膠殘留應力就是指塑膠成品在經過製造或成形過程後，在無外力作用下或無溫度梯度存在時，物體內部仍維持承受應力之狀況。通常塑膠件常見之內部應力可分為兩種，一種是剪切流動造成之流動應力，另一種是冷卻收縮所造成之熱應力。塑膠材料在成型過程中會因為高剪切作用造成分子鏈結構的高度定向現象，此種是屬於熔膠剪切流動所形成之應力，另外則是因不均勻之冷卻造成成品內分子鏈的不均勻收縮，當成品溫度快速冷卻到塑膠的Tg以下時，冷卻收縮造成分子鏈間應力無法完全釋放，此種是屬於冷卻所形成之應力。另外結晶性材料之不平衡結晶作用或是模穴壓力對不同位置分子鏈之不同影響都會形成殘留應力。所以，所謂殘留應力就是指在塑膠成型過程中，造成分子結構不是處在最低能量之最穩定狀態，分子鏈受到流動定向影響或是受到週圍分子鏈之拘束，而呈現不穩定之高能態，所以一旦有外界能量給於此受應力作用之分子鏈，則此分子將極易釋放出應力而達到其最穩定之組態。在一般塑膠射出成型加工過程中，由成品厚度方向來觀察，可以發現成品可依分子鏈之微觀結構差異，來區分不同之區域，如【圖一】所示。其中A層示固化層，B層是流動高剪切層，C層是熔膠流動層，A層為塑膠充填時緊貼兩側模壁，瞬間冷卻固化的高分子鏈定向層，此部分會因為射出成型之噴流效應，而使分子鏈排向方向與流動方向相反，而B層是塑膠充填時緊靠A層固化層的高剪切區域所形成的分子鏈定向層，由於與A層具有最大之速度差，所以會形成最大之剪切流動應力效果，塑膠充填結束時本區定向層尚未完全凝固，而外層之A層固化定向層有絕熱效果，使B層熱散失不至過快，另外由於高剪切作用會產生剪切加熱作用，所以本區也是溫度最高之區域。而C層因熔膠高溫及冷卻時間足夠，分子鏈有足夠時間鬆弛定向，故無高分子鏈定向行為，高分子鏈彼此之間較無剪切作用現象，若產品厚度有變化，則主要會影響C層厚度，若是薄件成品則C層的厚度將會變小。【圖二】是沿厚度方向分子定向效果之分佈情況。除了在成品厚度方向上下表面有一薄層固化層外，大部分區域是屬於熔膠流動層，而這區域主要之內部應力形成是由於不均勻冷卻造成，塑膠件厚度方向之冷卻是由與模壁接觸之成品表面開始向成品內部延伸，所以中心層是最慢冷卻之位置。所以當塑膠成品成型後，開始進行冷卻階段時，在某一特定位置上之分子鏈會受到其外部已冷卻收縮之分子鏈牽引，所以會感受到早先冷卻收縮之分子鏈的拉伸應力。所以嚴格來看在成品厚度方向靠近表面之區域，分子鏈是處在壓縮應力狀況，而內部區域是處於拉伸應力狀況。【圖三】是射出成品厚度方向應力分佈情況。【圖四】射出成品厚度方向剪切作用分佈情況。二、殘留應力的影響塑膠成型過程所產生之殘留應力，除了會影響成品在使用上的強度外，尤其在某些二次後加工上都會造成問題。殘留應力對塑膠成品的影響常見的有下列幾種：首先是成品的外觀尺寸變形及翹曲問題，由於剪切流動造成分子鏈的排向或是由於成品幾何造成流動的定向效果，在成品脫模時容易因應力鬆弛而造成尺寸發生變形，另外由於成品尺寸的不對稱性或在成品厚度方向冷卻收縮的不平衡性，所形成的熱應力都將造成成品在脫模後發生翹曲變形現象。此現象對於尺寸精密度有要求或有組裝搭接性需求之塑膠射出成品，將會是一大問題。再則塑膠件在使用上比例最高的破壞型式，當屬環境應力破壞(EnvironmentStressCracking,ESC)─例如太陽UV光照射破壞、老化破壞、氣候性乾溼冷熱循環破壞等等，對此塑膠殘留應力也會造成環境應力破壞的加速。其他像塑膠件的蠕變性破壞、疲勞性破壞等，都會因為殘留應力存在而加速加快其破壞產生。另外塑膠件在成型過程中所產生的殘留應力，容易因為外界給於能量或驅動力來產生應力鬆弛效果，所以在塑膠成型業中最常見用來消除塑膠內部殘留應力之方法，即是退火(annealling)程式，即是將塑膠成品放入烘箱中或給於所需熱量，使定向分子鏈獲得能量而能再次去相互重排以達到最低能量之穩定結構，而應力鬆弛的驅動力除了熱能外，機械能、光能、化學能(溶劑作用)都可以達到同樣效果，然而在應力鬆弛同時也要考量成品尺寸變形之嚴重性。一般殘留內部應力常常會造成成品在使用上或二次加工上發生問題，例如表面接著、表面電鍍或表面塗裝等工法，都會因為成品表面高度分子定向之高應力情況，而產生介面的不相容性。另外如接觸到溶劑、化學品等也會造成在應力區域的加速劣化。三、應力偏光檢測之理論基礎光同時具有粒子及波動之特性，所以光波可在真空中傳遞是屬於電磁波之一種，光的產生是藉由電荷振動所釋放之輻射波。然而由於光可以向四面八方照射，所以若以自然光來做一些如干射、繞射等分光光譜觀測時，將會因為各方向光波的互相干擾而無法辨識。因此為方便於光譜觀測及便於以簡單數學方程式來表示，所以一般常用單方向之光波來作為光源，而所謂單方向光源則是利用將白光光源，通過一單方向之光學偏光片，使其通過之光波都固定在一特定方向上。我們可以簡單拿兩片光學偏光片依前後放置在一白光光源前，當白光通過第一片偏光片時已成一單方向光波，若旋轉第二片偏光片觀察時，將會發現當兩片偏光片成平行時，可見到白光通過；但若兩片成垂直時，則呈黑暗無光線通過，如【圖五】所示。在存有應力之塑膠材料中，在特定平面上可將應力分成兩個主軸應力，此不均勻之應力將使材料產生兩個不同的折射率。因此光要通過此材料時，沿二個主應力方向振動的光波彼此有不同的速率，穿出材料時，則會有相對速度差產生。而此相位差將正比於平面上的兩個主軸應力之差值。所謂應力光學定律是指一透明塑膠材料當受應力時，其折射率會隨著所受應力變化而改變，當物體的應力狀態和光交互作用，則可由光彈條紋可推知物體的應力狀態。光彈性量測應力的方法其主要優點在於可瞭解外力作用瞬間或成形定型後，測試品整體的應力場分佈，可實際用於產品QC檢測上。透明塑膠材料遭受應力時將產生雙折射現象，當光線穿透具雙折射率材料時，光在材料內進行的速度也會不同。當偏極光進入有應力作用之雙折射材料時，光線會分為較快速及較慢速兩光束，其速度差相對距離則稱為相位差或遲延(retardation,R)。在單色的光彈條紋中，粗線的地方代表該點之主應力方向與ｘ軸（或ｙ軸）平行。因此兩道光之相位差為整數波長，因而造成光場之明暗條紋，光場之條紋可以肉眼觀察，條紋越密集的地方，表示應力愈大，亦即是應力集中的地方，也是材料發生破壞時最先開始之處，【圖六】是應力偏光儀量測觀察應力之原理。式(1)及式(2)是應力偏光觀測主要之理論計算公式，式中Dn表示透明材料之雙折射率，s1與s2表示材料之兩主軸應力值，A是材料之光學應力常數，t是光前進之材料厚度距離，R則是兩不同速度光線之相位差。Dn=(n1-n2)=A(s1-s2)………..(1)R=(s1-s2)′t′A=Dn′t=nl……(2)由應力偏光觀測所得之干涉光譜條紋，可利用式(1)及式(2)計算出材料之雙折射率及應力值。當射出模溫接近或超過塑膠之Tg溫度時，可有效消除雙折射現象，此既是由於流動所誘發之分子定向現象，可藉由使用較高模溫來使得分子有足夠動能及足夠時間來鬆弛分子應力。此可藉由將透明試片置於兩片正交之偏光板間，可觀察到較無散射之彩色光環，既有較多區域呈現黑暗顏色，既分子結構較無殘留應力存在。四、應力偏光儀觀測透明塑膠件殘留應力隨著產業的不斷進步，台灣塑膠成型業已從早期低層次民生用品發展到近年來蓬勃發展的電子電器業產品，然而現階段由於傳統產業大量外移，整個經濟大環境已迫使台灣塑膠成型業者，必須思考如何開創更高附加價值之產品。近幾年來在政府及業者共同努力下，光電產業已成為一項明星產業，舉凡平面顯示器、導光板、背光板、光纖連接器、光波導、塑膠光學鏡片、精密微小射出成型產品等，都有許多廠商爭先投入。在蓬勃發展的塑膠光電產業中，透明性塑膠材料佔了相當大的比重，例如PMMA、PC、mCOC等都是經常被使用到的透明性塑膠，然而對於透明性塑膠在成型過程中，因加工條件設定所衍生殘留應力問題也越來越受加工業者注重，此主要是因會殘留應力除了會影響塑膠件尺寸精度要求，同時也會造成光學特性的改變，另外對於後續加工，例如塗佈、電鍍等製程都會造成嚴重影響。所以如何觀測塑膠光學產品之內部殘留應力，是目前光電產業上相當重要之技術。對於光電產業常使用之透明性塑膠材料而言，目前最簡易可用來觀察材料內部殘留應力之方法，就是使用穿透式應力偏光儀，如【圖七】所示。此方法是一種非破壞性定性觀測方法，此主要是利用塑膠受應力作用下之光彈特性，來觀測材料的雙折射率變化情形。此由Brewster的光彈性定律理論中可知，對於受應力作用而產生應變之高分子材料，其在空間中對光線的折射率將會有方向性的不同，換言之，也就是說塑膠材料在不同方向所受之應力分量不同，其在這些方向所表現之折射率也會不同，而其折射率之差異會與所受之應力程度成正比。塑膠是由長度很長之高分子鏈所組成，所以就微觀角度而言，在分子鏈平行與垂直方向所表現之物性並不一致，此就是高分子鏈的異方向特性(anisotropic)，然而就整體高分子材料而言，因分子鏈間相互糾結成一團狀結構，所以單一分子鏈之異方向特性將不易被察覺；然而若因塑膠材料在加工時所形成之應力，將造成分子鏈之高度定向作用，則塑膠材料之異方向性將會顯現，利用材料內部應力產生之雙折射率，可用來觀察入射光因前進速度之差異所產生之相位差干涉條紋，藉此來反推內部應力之分佈情形。利用應力偏光儀來觀察透明塑膠成品之分子結構定向問題和應力變化情況，主要是將塑膠透明件產品或試片置於兩片正交之偏光塑膠片之中，藉由塑膠雙折射現象及光彈特性而使白色光源經偏光片後通過後形成彩色明暗條紋，由所顯示之條紋形式及色彩，可以對應到觀測塑膠件內部的殘留應力大小，通常條紋密度越高部分將對應於塑膠件殘留應力較高之區域。另外也可藉由彩色條紋之產生位置來做定量計算以求得成品之應力值。【圖八】至【圖十一】是一些透明塑膠成品之應力偏光觀測照片。【圖十】是PC材料射出平板成品，退火前後之應力偏光觀測。而【圖十一】一是多種透明性塑膠材料之圓片成品，在有無經過偏光照射時之應力分佈觀察情況，由此可明顯得知不同塑膠對成型應力之敏感性。